JP4402252B2 - 複合材料用三次元織編組物及び複合材料 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状が複雑な繊維強化樹脂系複合材料製品（以下、本明細書では繊維強化複合材製品という）を低コストで製造するための複合材料の繊維素材及び構造部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量で強靱な強度を有し、しかも複雑な形状にされた繊維強化複合材製品の製造に当っては、一般的に、連続繊維を一方向に並べたり、織り上げた物に半硬化状態の樹脂を塗りつけてシート状にした素材であるプリプレグを、製造する製品形状に合せて積み重ねて製作することが行われている。
この場合、プリプレグ中に途中で切断されてない真直ぐな連続繊維がある場合、当該連続繊維に沿った方向について、特に、優れた力学的強度が得られる反面、プリプレグを積み重ねて製作される製品の厚み方向の力学的強度は、プリプレグを構成する樹脂の結合力のみに依存する場合が多く、このため、一般に厚み方向の力学的強度は強化繊維で補強された板内方向に比して小さい。
【０００３】
このような不具合を解消し、製品の厚み方向の力学的強度を向上させるために、プリプレグの表層に熱可塑性樹脂を混在させて、この熱可塑性樹脂の結合力で厚み方向の素材間の力学的強度、すなわち、繊維強化複合材製品の破壊のしにくさである、靱性を向上させることも提案されている。
例えば、特開平１−１１０５３７号「球状微粒子を有するプリプレグ」では、プリプレグの表層に、球状の熱可塑性樹脂の微粒子を、プリプレグで形成されている各層の厚みの表面から３０％以内の深さに局在化させることにより、プリプレグシート間の接合面の靱性を効果的に向上させ、シート状素材の接合面における破壊強度を大きくして、高強度の繊維強化複合材製品を製作するものが開示されている。
【０００４】
しかしながら、プリプレグで複雑な立体形状の製品を製作するには、プリプレグを所要寸法に切り出して、製品形状を単純形状要素に分割した要素毎の形状に積み重ねるレイアップ作業や、重ね合わせたプリプレグの間に取り込まれた空気を吸い出したりするデバルク作業等の予備成形工程を実施する必要があり、さらには、これらの単純形状要素を製品の最終的な立体形状に組み上げた後においても、同様な作業を必要とし、製品製作工程数の増加をきたし、より多くの作業時間や手間を要し、製品の製造コストが嵩むという不具合がある。
【０００５】
一方、シート状素材の積層により成形した繊維強化複合材製品が厚み方向の強度を発現し難いことを克服するために、厚み方向を含めた立体的な方向に、連続繊維を立体的に絡め合わせて製品形状に織編組製した繊維組織を樹脂で固めて、繊維複合材製品を製造して、厚み方向の力学的強度をも補強するようにした三次元複合材の開発が進められている。
しかしながら、このような三次元複合材にして、何れの方向の力学的強度に対しても補強を行い、秀れた強度を有する繊維複合材製品にするためには、特に、繊維強化複合材製品が複雑な形状をしている場合において、連続繊維を製品形状に合せて立体的な繊維組織に織編組製するための専用の道具、設備を必要とし、さらには、複雑な形状の繊維複合材製品に対応した立体的繊維組織を織編組製するためには、多数の時間や手間を要し、プリプレグの場合と同様、製造コストが高くなるという不具合がある。
複雑な立体的製品形状を、単純な形状要素に分割して、それぞれを厚み方向にも補強繊維が配列されるよう三次元的に織編組製した織編組物となし、その織編組物を製品の最終的な立体形状に組み上げて樹脂で固めることも可能であるが、この場合、要素とした織編組物間の力学的強度は、樹脂の結合力のみに依存するので、強化繊維で補強された部分の強度に比べて低くなるのが一般的である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複雑な立体形状をした繊維強化複合材製品の製造において、従来から採用されている製品製造方法において生じている不具合を解消するために、繊維強化複合材製品の単純形状要素毎の、プリプレグの切り出し、要素毎の形状に積み重ねるレイアップ作業、積み重ねられたプリプレグの接合間毎の空気を吸い出すデバルク作業等の予備成形工程を必要とせず、あるいは、複雑な製品形状の繊維強化複合材製品に合せた立体的形状にするための連続繊維を織編組製するための専用の道具や設備を必要とせず、また、織編組製するための時間や手間が少なく、しかも、繊維素材間にも充分な強度を有する、複雑な形状の繊維強化複合材製品を安価に製造できる複合材料用三次元織編組物、及び、この織編組物を用いて形成される構造部品を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明の複合材料の繊維素材は次の手段を採用した。
【０００８】
（１）弾性強度の大きい強化繊維からなる複合材料用三次元織編組物であって、弾性強度は強化繊維に劣るものの、一体成形時に樹脂との結合力が大きく、強化繊維と一体となって靱性を向上させ、破壊強度を増加させる結合力向上繊維が複合化された複合材料用三次元織編組物。なお、本発明において、強化繊維からなる複合材料用三次元織編組物であって、結合力向上繊維が複合化された織編組物とは三次元織物にした強化繊維に結合力向上繊維を織り込んだ織物にしたもの、又は強化繊維を三次元編物にした強化繊維に結合力向上繊維を編み込んだ編物にしたもの、あるいは三次元組物にした強化繊維に結合力向上繊維を組み込んだ組物にしたもの、それぞれの織物、編物、あるいは組物と同等の組織を有する強化繊維と結合力向上繊維の集合体を意味し、強化繊維の糸条と結合力向上繊維の糸条を独立の糸条として同時に織編組製する、強化繊維の糸条の織編組物に結合力向上繊維を追加する、あるいは強化繊維と結合力向上繊維の糸条を引き揃えもしくは撚り合わせる等した糸条を用いて織編組製する等の、種々の織編組製手順を用いることが可能であり、織編組製の手順は問わない。
また、前記結合力向上繊維が、繊維素材各部位の厚みにおいて表面から厚みの１／４深度まで、もしくは表面から０．５ｍｍ深さまでのいずれか小さい方の深さの空間における結合力向上繊維の体積占有率が、繊維素材のその他の部分における結合力向上繊維の体積占有率よりも大きい状態とした。
【０００９】
（ａ）本発明の複合材料用三次元織編組物は、上述（１）の手段にしたことにより、従来プリプレグの予備成形工程において必要とされていた、繊維強化複合材製品形状を単純形状要素に分割し、要素毎の形状に合せてプリプレグを所要寸法に切り出して積み重ねるレイアップ作業や、所定数毎のレイアップ作業毎に行われる重ね合わせたプリプレグの間の樹脂に取り込まれている空気を吸い出すデバルグ作業等の予備成形工程における作業を不要とし、強化繊維と結合力向上繊維とを織編組製した単純形状の織編組物を、製品形状に組み上げた後の、樹脂の含浸および硬化作業、いわゆる、成形作業だけで製品形状の繊維強化複合材料が得られるため、製品製作工程数が低減し、作業時間や手間を少くでき、製造コストを低減する。
また、立体的な繊維強化複合材製品を形成するために組み合わせる織編組物間ならびに繊維素材間近傍において、結合力向上繊維を特に多く配置する事が可能となり、効果的に織編組物間の靱性を向上することができる。
【００１０】
また、本発明の複合材料用三次元織編組物は、上述（１）の手段に加え、次の手段を採用した。
【００１１】
（２）強化繊維は弾性率２００ＧＰａ以上の高弾性繊維であり、結合力向上繊維は弾性率１００ＧＰａ以下の繊維状熱可塑性樹脂からなり、成形された繊維強化複合材製品の複合材料用三次元織編組物間の破壊強度を向上させるものとした。
【００１２】
（ｂ）本発明の複合材料用三次元織編組物は、上述（２）の手段にしたことにより、上述（ａ）に加え、このような複合材料用三次元織編組物で形成された繊維強化複合材製品は、強度的に航空宇宙分野、船舶、スポーツ用品、および建築物の材料として好適な破壊強度等の材料特性を具えるものとすることができ、特に、軽量化が要求される航空宇宙分野に使用される製品には、大幅な軽量化が図れる材料特性を具えることから、これらの織編組物を繊維強化複合材製品に採用し製作された航空機宇宙機器等の性能向上に寄与することができる。
【００１３】
また、本発明の複合材料用三次元織編組物は、上述（１）の手段又は上述（１）の手段および（２）の手段とを具えたものに加え、次の手段を採用した。
【００１４】
（３）強化繊維は樹脂未含浸の炭素繊維、アラミド繊維若しくはガラス繊維のいずれか１つ若しくはそれらの組み合わせからなり、また、結合力向上繊維はポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド若しくはポリイミドのいずれか１つ若しくはそれらの組合わせからなる熱可塑性樹脂を繊維状にしたものとした。
【００１５】
（ｃ）本発明の複合材料用三次元織編組物は、上述（３）の手段にしたことにより、上述（ａ）又は上述（ａ），（ｂ）に加え、立体的な繊維強化複合材製品を形成する織編組物において、高強度、高弾性繊維である炭素繊維、ガラス繊維、あるいはアラミド繊維からなり、構成部材の高強度、高弾性向上に効果を発揮し、繊維強化複合材製品の構造強度及び弾性を向上させることができる。
【００１６】
また、強化繊維の組織中に、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、あるいはポリイミドからなる熱可塑性樹脂で形成された結合力向上繊維が織り込まれ、若しくは編み込まれ、若しくは組み込まれて、繊維素材同士の接合面における靱性強度が向上し、繊維強化複合材製品を形成する構造部品の破壊強度を向上させることができ、特に、組み合わせて繊維強化複合材製品を形成する構造部品である織編組物間の接合面の破壊強度を向上させることができ、これらの複合材料用三次元織編組物を組み合わせて成形された繊維強化複合材製品の靱性強度を向上させ、破壊強度を向上させることができる。
【００１７】
さらに、繊維強化複合材製品を一体的に製作するとき、必要とする形状要素毎にプリプレグを所要の寸法に切り出し、製作形状に合わせて積み重ねるレイアップ作業及び積み重ねたプリプレグ間の空気を抜き出すデバルグ作業が不要になり、安価な製造コストで、特に、形状が複雑な立体形状の繊維強化複合材製品を形成することができる。
【００２１】
（４）さらに、本発明の上述（１）の手段又は上述（１），（２）の手段又は上述（１），（２），（３）の手段にした複合材料用三次元織編組物を使用して、形成する複合材料は、次の手段を採用した。強化繊維と結合力向上繊維とを複合化した複数の単純形状の三次元織編組物を、所望の立体形状を呈するように組み合わせた後、立体形状に組み合わされている強化繊維と結合向上繊維とからなる複合材料用織編組物に、樹脂を含浸させて成形するものとした。
【００２２】
（ｄ）本発明の複合材料は、上述（４）の手段により成形するようにしたことにより、強化繊維と結合力向上繊維とを複合化した三次元織編組物を用いることにより、製品形状に組み合わせた後、樹脂で固めることにより、繊維強化複合材製品に形成された織編組物の接合面における靱性強度が向上し、繊維強化複合材製品の破壊強度を向上させることができる。
【００２３】
さらに、シート状素材で複雑形状の繊維強化複合材製品を製作するときに必要としていた、形状要素毎にシート状素材を所要の寸法に切り出して、製作形状に合わせて積み重ねるレイアップ作業や、シート状素材を所定数積み重ねる毎に行う必要のあったシート状素材間の空気を抜き出すデバルク作業等の予備成形工程作業が不要になり、安価な製造コストで、形状が複雑な立体形状の繊維強化複合材製品を形成でき、複合材料とすることができる。
【００２４】
一方、強化繊維と結合力向上繊維とを複合化した複数の簡素な形状にされた三次元織編組物を、所望の立体形状を呈するよう組み合わせて、繊維強化複合材製品が製作されるので、特に、複雑な形状の繊維強化複合材製品を製作する場合において、複雑な三次元形状の繊維強化複合材製品に対応した立体的繊維組織を織編組製するために、従来必要としていた専用道具、設備が不要になるとともに、織編組製等に要する時間および手間を少なくでき、安価な製造コストで、特に、形状が複雑な立体形状の繊維強化複合材製品の場合でも、短時間でしかも容易に形成できる複合材料とすることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複合材料用三次元織編組物及び複合材料の実施の一形態を図面にもとづき説明する。
【００２６】
図１は本発明の複合材料用三次元織編組物の実施例で、第１形態として三次元織物を示す斜視図である。
図において、１は強化繊維で複合材料の強化材（Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）を構成する部分であり、炭素繊維、ガラス繊維あるいはアラミド繊維等の高強度、高弾性の素材の何れか、若しくはこれらの素材を組合せて形成された繊維である。
２は結合力向上繊維で、ポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミドあるいはポリイミドの何れかの熱可塑性樹脂等の靱性向上効果のある素材で形成された繊維である。
【００２７】
上述した、強化繊維１、結合力向上繊維２により、三次元織物１０ａに形成された複合材料用三次元織物を、製品の形状に組み合わせた後、樹脂（基材：マトリックス）で１度に固めることにより、素材間がより強固に結合された高強度で破壊強度の大きい繊維強化複合材製品を成形することができる。
【００２８】
以上、三次元織物を例にして示したが、三次元編物又は三次元組物として構成することもできる。織編組物の形態や組織は、安価で構成する事が可能なものであれば、その種類は問わないものである。
例えば、本出願人等が、特開平１０−３２５０４１号「三次元繊維」で提案した、安価で高性能複合材製品向けの繊維組織の構成が可能な織機より織製される三次元織物を使用するようにしても良いものである。
【００２９】
強化繊維の三次元織編組物の組織内部へ結合力向上繊維を複合化した場合、素材同士の結合面のみならず、素材内部の靱性向上効果も得られ、これらの素材を用いて製作された複合材製品全体を破壊強度に優れたものにすることもできる。さらに、特に、繊維強化複合材製品が複雑な形状をしている場合において、従来技術で必要であった、繊維強化複合材製品形状を単純形状要素に分割し、要素毎に行われるレイアップ作業や、デバルク作業等の予備成形工程を実施することが不要になり、さらには、これらの単純形状要素を製品形状に組み上げた後において行われる成形作業だけとなるために、製品製作工程数の増加に伴う時間や手間が不要になり、製品の製造コストが低減できる。
【００３０】
あるいは、連続繊維を製品形状に合せて立体的な繊維組織を織編組製する方法に比べても、専用の道具設備が不要になり、さらには、織編組製するための多数の時間がかからず、同様に製造コストが低減できるという利点がある。
【００３１】
次に、上述の構成にした本実施の第１形態の複合材料用三次元織物１０ａ間の補強効果を確認する為、台座部５と突起部６間の接合面剥離強度試験を実施した結果について説明する。
【００３２】
図２は、この剥離強度試験の原理を示す図である。
図に示すように、剥離強度試験に使用される供試材料７には、前述した５軸三次元織物を長さ２００ｍ／ｍ、幅５０ｍ／ｍ、厚み１．２ｍ／ｍに切り出した台座部５に長さ７０ｍ／ｍ、幅５０ｍ／ｍ、厚み１．２ｍ／ｍに切り出した突起部６を２枚積み重ね、一度に樹脂で固めた（複合材成形した）ものを用い、５軸三次元織物表面に結合力向上繊維２を挟んだものと、はさまないものの２種類の供試材料７を準備した。
【００３３】
試験は、図に示すように供試材料７の台座部５に設けた支持点１１で支持した後、反対側の中心から１５ｍ／ｍ離隔した位置に設けた負荷点８より荷重９を加え、台座部５から突起部６が剥がれる最大荷重９_max を剥離強度として計測することとした。
【００３４】
この結果、図３に示すように、台座部５と突起部６との間に結合力向上繊維２としてのポリイミドファイバ繊維をはさみ込まなかった場合の最大荷重９_max は、約３１ｋｇｆであったものが、ポリイミドファイバ繊維を組込んだ場合には、約３５ｋｇｆにまで大きくなり、最大荷重９_max は約１３％向上することが判った。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合材料用三次元織編組物は、高強度、高弾性の強化繊維と、繊維強化複合材製品の破壊強度を向上させる結合力向上繊維を、複合化して織編組製されるものとした。
これにより、複合材料用三次元織編組物同士を組合わせて形成する構造部品の接合面の相互結合が補強され、繊維強化複合材製品の破壊強度を向上することができる。
【００３６】
さらに、複雑な立体形状の繊維強化複合材製品を成形するときの単純形状要素毎にプリプレグを所要の寸法に切り出して積み重ねる作業、所定数積み重ねたシート状素材間の空気の抜き出し作業等の予備成形工程が不要になり、安価な製造コストで形状が複雑な立体形状の繊維強化複合材製品を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合材料用三次元織編組物の実施例の第１形態としての三次元織物を示す斜視図、
【図２】図１に示す複合材料用三次元織物の剥離強度試験の原理を示す模式図、
【図３】図２に示す剥離強度試験でなされた試験結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 強化繊維
２ 結合力向上繊維
５ 台座部
６ 突起部
７ 供試材料
８ 負荷点
９ 荷重
１０ａ 三次元織物
１１ 支持点

Claims (4)

1. 強化繊維からなる複合材料用三次元織編組物であって、前記強化繊維と比較して前記複合材料用三次元織編組物と一体成形される樹脂との結合力が大きい結合力向上繊維が複合化され、前記複合材料用三次元織編組物の各部位の繊維素材各部位の厚みにおいて表面から厚みの１／４深度まで、もしくは表面から０．５ｍｍ深さまでのいずれか小さい方の深さの空間における、前記結合力向上繊維の体積占有率が、複合材料用三次元織編組物のその他の部分における結合力向上繊維の体積占有率よりも大きい複合材料用三次元織編組物。
2. 前記強化繊維は弾性率２００ＧＰａ以上の繊維であり、前記結合力向上繊維は弾性率１００ＧＰａ以下の繊維状熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１の複合材料用三次元織編組物。
3. 前記強化繊維は炭素繊維、アラミド繊維若しくはガラス繊維のいずれか１つ若しくはそれらを組み合わせたものであり、前記結合力向上繊維はポリアミド、ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド若しくはポリイミドのいずれか１つ若しくはそれらの組合わせからなる熱可塑性樹脂を繊維状にしたものであることを特徴とする請求項１又は２の複合材料用三次元織編組物。
4. 請求項１から３のいずれか１項記載の複合材料用三次元織編組物を、所望の製品形状に組み合わせた状態で、樹脂を含浸硬化した繊維強化複合材料。

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